Pt中间层显著降低PEM水电解电子传输阻抗

在质子交换膜水电解（PEMWE）中，阳极OER的Ir基催化剂成本高昂，成为制约产业化的重要瓶颈。虽然非晶态IrOx具有高OER活性，但其电导率较差、与多孔钛PTL之间接触不良，往往导致催化剂层利用率低、电阻大、性能衰减严重。当前缺乏对该界面电学行为的深入理解与工程化调控手段。

成果简介

本研究系统揭示了非晶IrOx与Ti基PTL之间因肖特基界面导致的电荷传输障碍问题，并提出采用原位磁控溅射构建纳米Pt中间层策略，有效打通催化剂层与PTL之间的电子通道。实验发现，适度厚度（0.1 mgPt cm^2）Pt层即可显著降低非晶IrOx的OER过电位，消除Nyquist图中高频电弧，表现出优异的活性与稳定性。相比之下，晶态IrO则未出现类似依赖性。机制上，Pt中间层可防止形成整流型肖特基接触，促进电子双向通行，提升催化剂利用率。

研究亮点

• 构建Pt中间层有效打破非晶IrOx与TiOx之间的肖特基电势屏障；
• 高频阻抗特征揭示了CL与PTL界面电学行为的演化规律；
• 适度Pt厚度下OER性能显著提升，催化电位降低超百毫伏；
• Ir溶出量基本不随Pt中间层变化，证明性能提升源于电接触改善；
• 提供了对PTL | 催化剂界面理解的等效电路模型与物理图像。

配图精析

图1 构建Pt中间层并表征其结构特征。
展示了GDE半电池结构、Pt中间层沉积方式及不同Pt负载下的HAADF-STEM图像。结果显示，当Pt负载大于0.05 mg cm^2时可形成连续致密薄膜，平均晶粒直径超过10 nm，表明溅射工艺可在Ti基PTL表面形成高质量Pt层，为电接触改善奠定基础。

图2 Pt中间层提升非晶IrOx的OER性能。
电流–电压曲线显示，非晶IrOx样品中，随着Pt负载增加，过电位明显降低，Tafel斜率亦趋于稳定（~41 mV dec^1）。而对于晶态IrO/TiO样品，性能几乎不受Pt层影响，说明Pt改善主要针对电导率差、界面障碍严重的非晶体系。

图3 高频阻抗揭示界面接触性质。
在无Pt或低Pt负载下，Nyquist图中出现明显高频电阻，表明CL–PTL间存在电荷传输阻抗。随着Pt厚度增加，该电阻逐渐消失，说明界面转变为类欧姆接触。相比之下，晶态IrO无论是否含Pt均无类似高频电阻，印证其界面本身即为良好接触。

图4 电流密度对界面阻抗演化的影响。
在不同Pt条件下对比IrOx在多个电流密度下的阻抗变化。结果显示，高电流密度会降低高频电阻幅度，提示肖特基势垒在强电场下被部分击穿或电子穿隧效应增强。相比之下，Pt高负载样品几乎无响应，表明界面已趋近理想欧姆行为。

图5 Pt中间层对Ir稳定性无显著影响。
ICP-MS检测结果显示，IrOx与IrO/TiO在不同Pt条件下的S-number（单位Ir溶出对应产氧摩尔数）相差不大。说明性能提升主要来自界面改善而非材料结构变化，也印证HFR-free电位不能准确反映真实工作电位。

图6 CV曲线进一步反映活性位点暴露差异。
非晶IrOx样品在无Pt时电容特征扭曲明显，表明活性位点利用率低。增加Pt后电流响应增强、曲线形态回归典型形貌。对比来看，晶态IrO样品表现更稳定，说明其界面结构更为优良。

图7–8 提出等效电路模型解释界面行为。
构建包含Schottky和欧姆双通道的等效电路，并将高频电弧对应于CL–PTL界面电阻。利用二极管方程拟合Δη–i关系，合理解释Pt中间层如何调控界面势垒及电阻。模拟与实测阻抗趋势一致，进一步验证机制假设。

图9断面结构与化学分析支持机制解释。
STEM-EDX图像显示，非晶IrOx与未Pt化Ti-PTL接触区域氧化严重，表明电极工作中界面易进一步钝化。相比之下，Pt中间层可有效抑制Ti表面过度氧化，维持界面稳定性。图10以图示方式总结了不同界面接触状态下的电子通道行为。

展望

本研究揭示了非晶IrOx在酸性OER中面临的界面电荷传输障碍，提出以Pt中间层作为电子通道桥梁的工程化解决方案。该策略无需改变催化剂组分，即可显著提升性能与稳定性，为高性能、低Ir负载的PEM水电解阳极设计提供重要思路。未来，相关界面工程策略可拓展至更多低电导、易钝化电极体系。

文献信息

文章标题：Platinum interlayers reduce charge transport barriers between amorphous Ir-oxide OER electrocatalysts and the porous transport layer
期刊：Chemical Engineering Journal
DOI：10.1016/j.cej.2025.162887
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162887